加氢原料油脱氯水洗线三通裂纹产生的原因及分析

刘文忠

(神华集团鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古 鄂尔多斯市 017209 )



加氢原料油脱氯水洗线三通裂纹产生的原因及分析

刘文忠

(神华集团鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古 鄂尔多斯市 017209 )

原料油脱氯水洗线上一件304的不锈钢三通发生了开裂，直接原因是腐蚀疲劳引起的开裂；材质的Cr元素含量低，且金相组织异常，也是导致产生开裂的主要原因之一；另外介质中氯离子质量浓度高达600 mg/L也加剧了三通的开裂。对油品加氢装置在原料油脱氯加工生产过程中应注意的事项提出了建议，控制脱氯水中氯离子质量浓度尽量小于150 mg/L，做好装置停工期间管线、设备的氮封保护。在管件材料入库检验时应对此类奥氏体不锈钢管件抽检化学成分和组织状态，可采用半定量光谱法来复验合金元素含量。

三通 裂纹 疲劳断裂 冷加工 残余应力 固溶处理

1 装置概况

10805单元油品加氢装置由中石化工程建设公司设计，设计加工能力为155.3 kt/a，加工费托合成单元生产的轻质馏分油、重质馏分油和重质蜡，装置于2008年初动工兴建，2009年12月30日开车成功，由于装置原料问题于2010年5月停工技改；2013年下半年公司为了提高装置利用率和整体效益，对10805单元进行了简单技术改造，更换了10805-R103裂化反应器催化剂，为煤液化装置加工原料油，煤液化装置原料油存在密度高、重金属、氯离子、沥青质杂质含量较高等问题。

2014年4月23日下午17点左右，操作工在巡检时发现装置边界处原料油脱氯水洗循环线漏油,拆保温检查,发现原料油脱氯水洗循环线三通

本体有一道裂纹。油脱氯水洗循环系统停工，更换开裂损坏的等径三通φ89 mm×4.0 mm一件,材质为0Cr18Ni9Ti。

2 造成三通损坏的原因分析

损坏的三通材质为0Cr18Ni9(SH3408—96)，规格为φ89 mm×4.0 mm。三通损坏估计有原料油介质腐蚀，原料油重金属杂质含量高，氯含量高。另外一方面三通本身可能存在质量缺陷。装置的进料量为:25 t/h，管线操作压力为0.6 MPa，操作温度为60～70 ℃，介质为酸性水。对油品加工单元加工原料油以来，原料油水洗过程中10805油品加工装置SC-80515采样点常规分析酸性水氯含量分析数据进行汇总，见表1。

表1 酸性水中氯含量分析数据汇总 mg/L

2.1 宏观检查

从该三通的内部和外部宏观检查来看，均无明显的点蚀或其他腐蚀减薄，裂纹在三通的接近正中间的部位，裂口较大，开口较宽，裂纹平直(见图1)。

2.2 取样说明

三通的展开示意图见图2。取样部位如图中各标识处，其中①到⑩为硬度测试部位，A为扫描电镜和能谱分析的断口部位，B,C和D为母材金相分析部位，E为裂纹尖端金相分析部位，化学成分分析则利用上述取样部位剩下的余料中母材部位。

2.3 硬度测定

按图2所示标定位置进行硬度测定，结果见表2；多数位置的硬度值均异常偏高，有些部位甚至超过HB300，一般来说奥氏体不锈钢出现这种情况说明其组织存在异常，比如出现了硬而脆的马氏体组织。

图1 三通背面裂纹示意

图2 取样位置示意

位置编号硬度(HB)①258256269286255②237210219219237③270280270285270④271287273283277⑤272286275272266⑥318295313309308⑦280279253272249⑧198194227218197⑨297270307278299⑩299279301304284

2.4 化学成分分析

按照SH3408-96中引用0Cr18Ni9材料牌号标准GB/T 14976—2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》的要求，对母材化学成分进行分析，分析结果见表3。

表3 三通母材化学成分测试结果 w,%

2.5 金相分析

按图2所示位置分别在E位置处取样，然后对裂纹处E部位取样进行金相分析，结果见图3。可以看出大部分组织均非正常的固溶态奥氏体组织，而管子轧制拉拔的痕迹比较明显，裂纹开裂的方向与轧制方向一致。从图中还观察到一部分马氏体组织，可见大量的马氏体组织，这些马氏体是管子轧制过程中材料变形产生的形变马氏体，强度高而韧性低，且耐腐蚀能力较弱，这些用磁铁吸附均产生明显的磁化反应，证明已非纯奥氏体相态，硬度检测结果远高于正常的奥氏体不锈钢，这与材料中存在马氏体组织是相吻合的。

图3 E处金相组织(一)

2.6 扫描电镜及能谱分析

按图2所示位置分别在A位置处取样，然后进行扫描电镜和能谱分析。扫描电镜结果见图4。裂纹断口多呈典型的准解理特征，部位位置可见韧窝，放大至高倍后可见明显的疲劳辉纹。裂纹断口A处能谱分析结果见表4，可见断口有S和O等腐蚀性元素。

图4 断口扫描电镜结果(三)

元素w,%x,%O20.9738.19Na03.1804.04Al18.5520.03Si07.9808.27S01.9201.74Ca13.6109.89Cr07.4004.15Fe23.3812.20Ni03.0101.49

2.7 三通失效原因分析

按照SH3408—2012《石油化工钢制对焊管件》标准的要求，该0Cr18Ni9不锈钢三通无论是采用冷成型还是热成型，必须在成型后进行固溶热处理，然后酸洗钝化；而金相分析发现该三通材料并非正常的固溶态奥氏体不锈钢组织，轧制的痕迹非常明显，且材料中存在马氏体组织，虽然能提高奥氏体不锈钢的强度，但不仅使材料的耐腐蚀性降低，还降低了材料的韧性，导致抗裂纹扩展的能力下降。

通过化学分析发现该三通Cr含量低于标准要求，而Cr元素是奥氏体不锈钢形成表面钝化膜，防止介质腐蚀的主要元素，Cr含量降低显然不利于材料的耐腐蚀能力。管道中的介质为酸性

水，氯离子含量高，其腐蚀性比较强，非奥氏体相部位率先遭受腐蚀形成局部腐蚀凹槽，产生应力集中[3]，且介质流动作用下该管道三通部位可能承受疲劳载荷或发生振动，在腐蚀和疲劳的交互作用下，该三通发生快速开裂失效。

3 结论及建议

该三通发生失效的直接原因是腐蚀疲劳引起的开裂，但材质的Cr元素含量低，且金相组织异常，尤其是含有马氏体组织，是产生开裂的主要原因之一；如果三通在成型后按要求进行彻底的固溶热处理，以消除三通轧制过程中产生的形变马氏体，则材料应具有较好的耐腐蚀性，即使有一定的疲劳载荷或振动也不会如此快速开裂失效。

(1)加强对管道振动的检查，如果管道振动明显，即使材质没有问题，在管线运行一段的时间后也可能发生疲劳开裂，建议对该管线尤其是三通部位进行振动测试和分析，如果确实振动较明显，可通过增加支撑或阻尼的方式来减缓或消除振动，彻底解决管道三通开裂的隐患问题。

(2)建议在材料入库检验时对此类奥氏体不锈钢管件抽检化学成分和组织状态，化学成分的复验可采用半定量光谱法，主要复验合金元素含量。对于重要的管件可以采用金相分析方法进行组织状态复验，一般性管件或者大批量复验时可采用永磁铁等磁性物体磁化吸附的方式进行快速筛查，对有疑问的管件再进行进一步的金相分析复验，防止此类问题的发生。

(3)生产操作上要控制脱氯水中的氯离子含量，尽量将脱氯水中氯离子含量控制在一定范围，定期补充新鲜除盐水降低脱氯水中的氯离子含量，加强装置巡回检查及时发现管线振动及泄漏隐患，装置停工期间对管线进行氮封保护。

[1] 杨启明，吕瑞典.工业设备腐蚀与防护1版[M].北京：石油工业出版社，2001：125-126.

(编辑 王菁辉)

Causes of Crackings on Tees on Water Washing Lines of Hydrotreater Feed Oil Dechlorination Unit

LiuWenzhong

(ShenhuaERDOSCoalToLiquidCompany,Ordos017209，China)

A 304 stainless steel tee on the water washing pipeline of feed oil dechlorination suffered from crackings,which are caused by the corrosion fatigue.The lower Cr in the material abnormal metallographic structure is the main factor leading to cracking.In addition,the chlorine ions in the media which is as high as 600 mg/L also aggravates the cracking of tee.The prevention measures have been recommended such as control of chlorine ions in the dechlorined water to less than 150 mg/L and good nitrogen protection of pipelines and equipment during unit shutdown,etc.The austenitic stainless steel of pipe fittings should be tested and inspected for chemical compositions and structure when they are stored in the warehouse.The content of alloy elements can be tested by spectrum.

tee,cracking,fatigue cracking,cold processing,residue stress,solution treatment

2015-11-03；修改稿收到日期：2015-12-06。

刘文忠(1968-)，工程师，本科，从事设备管理工作。E-mail：liuwenzhong@csclc.com